FR2681991A1 - DIFFERENTIAL RECEIVER, DIFFERENTIAL AMPLIFIER AND METHOD FOR RECEIVING DIFFERENTIAL POWER SUPPLY VOLTAGES IN THE DIFFERENTIAL RECEIVER. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un récepteur différentiel comportant des premier et second transistors (Q1, Q2) reliés en parallèle à une entrée de données; des troisième et quatrième transistors (Q3, Q4) reliés en parallèle à une ligne d'entrée de tension de référence; un cinquième transistor (Q5) qui relie les premier, second, troisième et quatrième transistors à la terre; un sixième transistor (Q6) qui relie le premier transistor à une alimentation de tension; et des septième et huitième transistors (Q7, Q8) destinés à relier les premier et second transistors à une sortie de données. L'invention concerne aussi un amplificateur différentiel et un procédé pour la réception de tensions différentes dans le récepteur différentiel.The invention relates to a differential receiver comprising first and second transistors (Q1, Q2) connected in parallel to a data input; third and fourth transistors (Q3, Q4) connected in parallel to a reference voltage input line; a fifth transistor (Q5) which connects the first, second, third and fourth transistors to earth; a sixth transistor (Q6) which connects the first transistor to a voltage supply; and seventh and eighth transistors (Q7, Q8) for connecting the first and second transistors to a data output. The invention also relates to a differential amplifier and a method for receiving different voltages in the differential receiver.
Description
Récepteur différentiel, amplificateur différentiel et procédé pour laDifferential receiver, differential amplifier and method for
réception de tensions d'alimentation différentes dans le récepteur différentiel La présente invention concerne un procédé pour construire un circuit fonctionnant normalement à une tension inférieure à 5 volts mais capable de tolérer une tension d'alimentation de 5 volts Elle concerne également un récepteur différentiel pouvant tolérer un signal logique d'entrée provenant d'un dispositif alimenté par une tension d'alimentation de 5 volts, et un amplificateur différentiel CMOS capable de relier un circuit logique ayant des niveaux de tension allant jusqu'à 5 volts à un circuit logique alimenté par une tension inférieure, égale à 3,3 volts, par exemple A toutes fins utiles, il est précisé que CMOS est formé des initiales de Complementary Metal Oxide The present invention relates to a method for constructing a circuit normally operating at a voltage of less than 5 volts but capable of tolerating a supply voltage of 5 volts It also relates to a differential receiver that can tolerate an input logic signal from a device powered by a supply voltage of 5 volts, and a CMOS differential amplifier capable of connecting a logic circuit having voltage levels of up to 5 volts to a logic circuit powered by a lower voltage, equal to 3.3 volts, for example For all practical purposes, it is specified that CMOS is formed of the initials of Complementary Metal Oxide
Semiconductor, expression qui désigne des transistors métal- Semiconductor, an expression for metal transistors
oxyde-semi-conducteur complémentaires. complementary semiconductor oxide.
Du fait que les dispositifs CMOS sont devenus progressivement de plus en plus petits, les tensions d'alimentation ont été diminuées d'une manière correspondante, afin d'atténuer les effets préjudiciables de différences de tension sur des sections de lignes de plus en plus faibles Cependant, cette diminution d'une tension nominale de 5 volts à 3,3 volts n'a pas eu lieu chez tous les fabricants en même temps Elle n'a pas eu lieu non plus dans tous les dispositifs à semi-conducteurs avec lesquels As the CMOS devices have become progressively smaller, the supply voltages have been correspondingly reduced, in order to mitigate the detrimental effects of voltage differences on increasingly smaller line sections. However, this decrease from nominal voltage of 5 volts to 3.3 volts did not occur at all manufacturers at the same time. It did not occur in all semiconductor devices with which
d'autres dispositifs à semi-conducteurs doivent communiquer. other semiconductor devices must communicate.
Ainsi, une puce VLSI conçue pour fonctionner à une tension de 3,3 volts peut nécessiter une interface avec une autre puce qui fonctionne à une tension de 5 volts Il est précisé que VLSI est formé des initiales de Very Large Scale Integrated Thus, a VLSI chip designed to operate at a voltage of 3.3 volts may require an interface with another chip that operates at a voltage of 5 volts It is stated that VLSI is formed of the initials of Very Large Scale Integrated
qui signifie à très haute densité d'intégration. which means very high density of integration.
La réalisation d'une interface correcte nécessite des techniques de circuits ou de dispositifs spéciales, afin d'éviter d'imposer des contraintes à des composants conçus pour fonctionner à une tension de 3, 3 volts L'autre solution possible entraîne des coûts additionnels afin de réaliser des étapes de fabrication supplémentaires nécessaires pour fabriquer des dispositifs qui puissent tolérer des tensions plus élevées Des variantes de conception peuvent également impliquer l'occupation d'une plus grande zone de puce par des circuits tampons. Un étage récepteur CMOS caractéristique est simplement un inverseur à rapport de capacité, conçu pour fonctionner avec des niveaux de tension prescrits (en général TTL, c'est-à-dire logique à transistor multiémetteur: niveau de tension maximal pour une logique O (V m) égal à 0,8 volt; niveau de tension minimal pour une logique 1 (V 11 in) égal à 2 volts) Un récepteur CMOS caractéristique de ce type est représenté sur la Figure 1 Cependant, la tension d'entrée maximale dans un système standard est susceptible de correspondre à l'alimentation de 5 volts Si une tension de volts est appliquée à l'étage récepteur de la Figure 1, un Achieving the correct interface requires special circuit or device techniques to avoid imposing constraints on components designed to operate at a voltage of 3.3 volts. to perform additional manufacturing steps necessary to fabricate devices that can tolerate higher voltages Design variations may also involve the occupation of a larger chip area by buffer circuits. A typical CMOS receiver stage is simply a capacity ratio inverter, designed to operate with prescribed voltage levels (typically TTL, ie multi-transmitter transistor logic: maximum voltage level for logic O (V m) equal to 0.8 volt, minimum voltage level for logic 1 (V 11 in) equal to 2 volts) A typical CMOS receiver of this type is shown in Figure 1 However, the maximum input voltage in a standard system is likely to match the 5-volt supply If a voltage of volts is applied to the receiver stage of Figure 1, a
transistor Q 2 va avoir des tensions grille-source et grille- transistor Q 2 will have gate-source and grid-gate voltages
drain égales à 5 volts Dans le cas de dispositifs conçus pour fonctionner normalement à une tension de 3,3 volts, l'application d'une tension de 5 volts entre les bornes de ces jonctions peut entraîner une destruction immédiate du transistor. On a par conséquent besoin d'un étage récepteur CMOS qui puisse fonctionner normalement avec une tension d'alimentation de 3,3 volts, tout en étant capable de tolérer drain equal to 5 volts In the case of devices designed to operate normally at a voltage of 3.3 volts, the application of a voltage of 5 volts between the terminals of these junctions can cause an immediate destruction of the transistor. There is therefore a need for a CMOS receiver stage that can operate normally with a supply voltage of 3.3 volts, while being able to tolerate
une tension d'alimentation de 5 volts. a supply voltage of 5 volts.
A cet effet, la présente invention propose, selon l'un de ses aspects, deux transistors d'entrée complémentaires limitant la différence de tension maximale entre les bornes du transistor qui reçoit le signal d'entrée de données L'invention propose également un groupe de transistors qui accélèrent un comportement en régime transitoire tout en protégeant les étages d'entrée du récepteur Elle propose aussi deux transistors correspondants pour recevoir une tension de référence et pour équilibrer la For this purpose, the present invention proposes, according to one of its aspects, two complementary input transistors limiting the maximum voltage difference between the terminals of the transistor that receives the data input signal. The invention also proposes a group transistors that accelerate a transient behavior while protecting the input stages of the receiver It also offers two corresponding transistors to receive a reference voltage and to balance the
charge du courant dans le circuit.charge of the current in the circuit.
Selon un autre aspect, l'invention permet le raccordement de dispositifs logiques ayant des tensions According to another aspect, the invention allows the connection of logic devices with voltages
d'alimentation disparates.disparate feeding.
Ce qui précède ainsi que d'autres buts, avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront plus The foregoing as well as other objects, advantages and features of the present invention will become more apparent.
clairement de la description détaillée suivante d'un mode de clearly from the following detailed description of a mode of
réalisation préféré de celle-ci, donnée à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 représente un étage récepteur de l'art antérieur; la Figure 2 représente un étage récepteur CMOS tolérant vis-à-vis d'une tension, selon la présente invention; et la Figure 3 représente un mode de réalisation préféré de l'étage récepteur CMOS tolérant vis-à- vis d'une tension, preferred embodiment thereof, given by way of non-limiting example with reference to the accompanying drawings in which: Figure 1 shows a receiver stage of the prior art; Figure 2 shows a voltage tolerant CMOS receiver stage according to the present invention; and Figure 3 shows a preferred embodiment of the voltage tolerant CMOS receiver stage,
selon l'invention.according to the invention.
En se référant à la Figure 2 qui représente un étage récepteur comportant cinq transistors Q 1, Q 2, Q 3, Q 4 et Q 5, on peut voir que, dans cette configuration, le signal d'entrée logique est appliqué à un transistor Q 3, tandis qu'une tension de référence V REF (approximativement llV, + Vminl /21 ou environ 1,4 volt pour TTL) est appliquée à un transistor Q 4 Pour un dispositif alimenté par une tension de 3,3 volts, la tension de référence est nominalement de 1, 6 à 1,7 volt Pour un dispositif ECL (logique à couplage par les émetteurs), V REF est égale à environ -0,9 volt Tous les transistors représentés sur les Figures 1, 2 et 3 sont des dispositifs à effet de champ à mode d'enrichissement Ce circuit offre l'avantage que la tension au niveau d'un noeud 3 va avoir tendance à suivre la plus élevée de la tension d'entrée V IN et de la tension de référence V REF, pour ainsi limiter les différences de tension aux bornes de Q 3 On a cependant constaté qu'un transistor Ql limite le niveau haut maximal sur un noeud 1 et sur le noeud 3 à ( 3,3 v Vtp (la tension de seuil d'un dispositif PMOS, à savoir d'un dispositif MOS à canal P)) D'une manière plus importante, Qi limite le comportement en régime transitoire de telle façon que le noeud 1 et le noeud 3 sont déphasés en arrière par rapport à V IN, ce qui a pour effet d'engendrer des tensions excessives pendant la transitoire d'entrée d'une logique O à une logique 1. Un transistor Q 5 joue simplement le rôle d'un Referring to Figure 2 which shows a receiver stage having five transistors Q 1, Q 2, Q 3, Q 4 and Q 5, it can be seen that in this configuration the logic input signal is applied to a transistor Q 3, while a reference voltage V REF (approximately 11V, + Vmin1 / 21 or about 1.4 volts for TTL) is applied to a transistor Q 4. For a device powered by a voltage of 3.3 volts, the reference voltage is nominally from 1.6 to 1.7 volts For an ECL (transmitter-coupled logic) device, V REF is equal to about -0.9 volts All transistors shown in FIGS. 1, 2 and 3 are enrichment mode field effect devices This circuit has the advantage that the voltage at a node 3 will tend to follow the higher of the input voltage V IN and the reference voltage. V REF, to thus limit the voltage differences across Q 3 However, it has been found that n transistor Q1 limits the maximum high level on a node 1 and on the node 3 to (3.3 v Vtp (the threshold voltage of a PMOS device, namely a P-channel MOS device)) of a more importantly, Qi limits transient behavior such that node 1 and node 3 are out of phase with V IN, which has the effect of causing excessive voltages during the input transient. logic O to logic 1. A transistor Q 5 simply plays the role of a
récepteur de courant à polarisation automatique. automatic polarization current receiver.
L'étage récepteur représenté sur la Figure 3 résout ce problème en incluant des transistors Q 6, Q 7 et Q 8 V IN alimente la combinaison parallèle de Q 3 et Q 6 Q 6 fournit une source de courant pour charger le noeud 3 pendant la transition à tension élevée d'une logique O à une logique 1 à V IN La largeur de grille de Q 6 est faible par rapport à la largeur de grille de Q 3 et de préférence égale à environ 10 % de la largeur de Q 3 La grille de Q 6 est juste suffisamment importante pour charger le noeud 3 assez rapidement afin de suivre une rampe d'entrée Cette action évite des différences de tension excessives aux bornes de Q 3, notamment lorsque le dispositif logique fournissant V IN fonctionne à une tension supérieure à 3,3 volts, telle qu'une tension de 5 volts par exemple Le drain de Q 6 est relié directement à l'alimentation de 3,3 volts et va rapidement, lors d'une transition d'une logique O à une logique 1, amener The receiver stage shown in FIG. 3 solves this problem by including transistors Q 6, Q 7 and Q 8 V IN feeds the parallel combination of Q 3 and Q 6 Q 6 provides a current source for charging node 3 during the high voltage transition from logic O to logic 1 to V IN The gate width of Q 6 is small compared to the gate width of Q 3 and preferably equal to about 10% of the width of Q 3 La gate Q 6 is just large enough to load node 3 fast enough to follow an input ramp This action avoids excessive voltage differences across Q 3, especially when the logic device providing V IN operates at a higher voltage at 3.3 volts, such as a voltage of 5 volts for example The drain of Q 6 is directly connected to the supply of 3.3 volts and goes quickly, during a transition from logic O to logic 1, bring
le noeud 3 à une tension de 3,3 volts. node 3 at a voltage of 3.3 volts.
Le noeud 1 peut être chargé par l'intermédiaire de Q 3 et n'est pas limité par QI Le transistor Q 7 compense l'effet de Q 6 En d'autres termes, en ignorant pendant un moment les effets de Q 6 et Q 7, Q 3 et Q 4 jouent normalement le rôle d'un amplificateur différentiel Lorsque V IN et V REF sont élevées, Q 3 et Q 4 soutirent le même courant Maintenant, Q 6 étant en place, Q 7 doit équilibrer les charges de courant dans l'amplificateur Le fait d'ajouter Q 6 et Q 7 a un effet négligeable sur les caractéristiques de l'amplificateur dans la zone de fonctionnement normale (V IN 3,3 v) Cependant, lorsque V IN > 3,3 v, la tension plus élevée appliquée sur le noeud 3 entraîne des tensions supérieures sur le noeud 1, d'ou un effet de polarisation inapproprié sur Q 2, sauf pour l'effet de Q 8 Normalement, lorsque V IN > V REF, Q 4 est mis hors circuit et Q 2 augmente la sortie Dans ce cas, Q 4 est rendu non conducteur comme il convient, mais Q 2 a également Node 1 can be loaded via Q 3 and is not limited by QI Transistor Q 7 compensates for the effect of Q 6 In other words, ignoring for a moment the effects of Q 6 and Q 7, Q 3 and Q 4 normally act as a differential amplifier When V IN and V REF are high, Q 3 and Q 4 draw the same current Now, Q 6 being in place, Q 7 must balance the current loads in the amplifier Adding Q 6 and Q 7 has a negligible effect on the characteristics of the amplifier in the normal operating area (V IN 3.3 v) However, when V IN> 3.3 v, the higher voltage applied on the node 3 causes higher voltages on the node 1, from which an inappropriate polarization effect on Q 2, except for the effect of Q 8 Normally, when V IN> V REF, Q 4 is switched off and Q 2 increases the output In this case, Q 4 is made nonconductive as appropriate, but Q 2 also
tendance à se mettre hors circuit Le transistor Q 8 contre- tendency to switch off The transistor Q 8 counter
carre cette tendance Lorsque V IN est faible (< 0,8 v), Q 8 n'empêche pas la sortie de baisser Lorsque V IN est élevée (> 2 v), Q 8 renforce Q 2, et lorsque V IN est très élevée (> 3,3 v), Q 8 fournit la totalité de l'excitation au noeud de sortie Cela signifie que, lorsque V IN > 3, 3, le récepteur peut être considéré comme fonctionnant en dehors de sa bande de fonctionnement normale, et, dans ce cas, Q 8 a priorité sur l'action de l'amplificateur différentiel Dans ce cas, Q 8 relie l'alimentation de 3, 3 volts au noeud 2 et par If V IN is low (<0.8 v), Q 8 does not prevent the output from going down When V IN is high (> 2 v), Q 8 strengthens Q 2, and when V IN is very high (> 3.3 v), Q 8 provides all of the excitation at the output node. This means that, when V IN> 3, 3, the receiver can be considered operating outside its normal operating band, and in this case Q 8 takes precedence over the action of the differential amplifier In this case, Q 8 connects the 3.3 volts supply to node 2 and by
conséquent à la tension de sortie V OUT. consequently at the output voltage V OUT.
Bien que la description précédente ait porté sur un Although the previous description focused on a
mode de réalisation préféré de la présente invention, il est bien entendu que celle-ci ne se limite pas à l'exemple particulier décrit et illustré ici, et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreux changements et variantes sans pour autant sortir du preferred embodiment of the present invention, it is understood that it is not limited to the particular example described and illustrated here, and one skilled in the art will readily understand that it is possible to make it many changes and variants without leaving the
cadre de l'invention.framework of the invention.
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